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Sin embargo, por encima de todo Galileo nos enseñó a dudar de cada cosa y a mirar la naturaleza como la verdadera fuente de sabiduría. La razón ya no servía por sí misma, era necesario buscar una respuesta preguntando al mundo natural, verdadero juez del conocimiento sobre la naturaleza y sus leyes.
Diálogo sobre los dos máximos sistemas del mundo es uno de los más brillantes escritos de divulgación jamás publicados.
La física es curiosidad, es preguntarse por las cosas más obvias, por las más absurdas, por las más inquietantes. Es preguntar.
Pero es justo eso lo que hace grande a la física: el misterio y la curiosidad.
La ciencia nos cuenta una historia fascinante de descubrimientos y sueños cumplidos, de luchas y disputas, de pasión por entender la naturaleza y el mundo.
Tales va a ser el primer hombre de Occidente en alejarse de los mitos y dar forma a teorías e ideas sobre el mundo basadas en la lógica.
Empédocles fue un gran sabio. Fue capaz de aunar lo mejor de las teorías de los filósofos griegos para formar lo que sería la primera «tabla periódica de los elementos».
Nuestra comprensión del universo es cada vez mayor, pero por cada pregunta que respondemos surgen otras tantas más. Parece que no hay límite. Entendemos muy bien la mayor parte de los fenómenos que ocurren en la naturaleza, pero aun así parece evidente que estamos lejos de entenderlo todo. Hay
Maxwell toma la ley de Gauss para el magnetismo y la electricidad, la ley de Ampere modificada y la ley de Faraday, y crea sus famosas cuatro ecuaciones. Con ellas Maxwell demuestra que electricidad y magnetismo tienen un origen común: es la fuerza electromagnética.
En fin, lo que descubrió es que esas ondas se propagan justo a la velocidad de la luz. Fue una sorpresa maravillosa, puesto que hasta ese momento no se sabía bien qué era la luz. Ahora estaba claro: la luz es una onda electromagnética, una propagación de los campos eléctrico y magnético. Así que no solo unificó la electricidad con el magnetismo, sino también con la óptica, la ciencia de la luz. Y además estableció la existencia de otros tipos de «luz» que no podemos ver. Ondas como las luminosas, de la misma naturaleza pero con características diferentes. Son lo que hoy llamamos ondas de
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Decimos que la hemos desintegrado. En realidad no desaparece del todo: lo que ha ocurrido es que deja de ser una nave y aparecen otras cosas, restos, trozos, chatarra. Pues con las partículas pasa igual y no hace falta dispararles nada (a veces sí). Se dice que se desintegran de forma espontánea. Determinadas partículas de repente se rompen y en su lugar aparecen otras que no tienen nada que ver. La mayor parte de las desintegraciones que se observaron eran muy rápidas.
Así que tenemos ya las cuatro fuerzas: la gravitatoria (Newton), la electromagnética (Maxwell, Ampere y Faraday), la nuclear y la nuclear
Los electrones se repelen porque se lanzan fotones.
Están ahí todo el día, tirándose fotones, y es lo que hace que exista esa fuerza, la eléctrica.
Eso parece un gran logro. Ya no tenemos fuerza eléctrica, magnética y débil separadas; ahora tenemos una única gran fuerza, la electrodébil, con la que podemos entender cualquier fenómeno eléctrico, magnético o débil.
Habrá por lo tanto una para cada fuerza: el fotón para la fuerza electromagnética, el gluón para la fuerza fuerte, los bosones W y Z para la fuerza débil y el gravitón (teórico) para la fuerza gravitatoria.
«Si usted piensa que entiende la mecánica cuántica... Entonces usted no entiende la mecánica cuántica».
Con esto ya se pueden entender los espectros de emisión y absorción de luz como un efecto cuántico: es luz emitida o absorbida que se corresponde con la diferencia entre los niveles energéticos de los electrones en los átomos. Como estos niveles están cuantizados, la energía emitida o absorbida también lo está y da lugar a esa característica tan curiosa de los átomos, su espectro.
La capacidad creativa del cerebro es reducida y se limita a nuestra experiencia animal.
De este modo consiguió afrontar el problema de asentar la cuántica en unas bases matemáticas. Los enigmas de la cuántica se podían ver como una aplicación de las extrañas propiedades de las matrices.
El principio de incertidumbre surgido de esta peculiaridad dice que para dos magnitudes que no conmutan (como son la posición y la velocidad, pero hay otras) es imposible conocer con precisión máxima ambas a la vez. Es decir, si mides la posición de un electrón, cuanto más precisa sea esta medida, más imprecisa será la medida de su velocidad.
la incertidumbre en el momento (que se define como la masa multiplicada por la velocidad) multiplicada por la incertidumbre en la posición es siempre mayor que la constante de Planck dividida por 4π.
el efecto de incertidumbre es puramente cuántico.
Esto sería equivalente a decir que, de una forma que se desconoce, de repente el electrón «siente» el efecto de la medida y se materializa en un punto dado.
las cosas ocurren de forma natural por azar y por tanto es imposible predecir el futuro.
La teoría cuántica se cargó el determinismo. Ahora el azar tenía un peso importante, pues ni siquiera sabiendo dónde están todas las partículas del universo y cómo se mueven se podría predecir nada con exactitud. La cuántica, a través de la probabilidad, nos esconde el futuro.
La partícula alfa despedida «vuela» con gran energía, y este es uno de los detalles que hacen tan peligrosa la radiactividad. Pues bien, sin efecto túnel no habría transmutación de elementos ni radiactividad. El microscopio de efecto túnel también se basa en este principio para operar.
En un átomo, debido a este principio, los átomos se llenan por secciones (los orbitales). Cuando no caben más electrones el siguiente tiene que ir a un nivel superior y así sucesivamente. La mayor diferencia con un teatro de verdad es que los electrones siempre quieren estar lo más cerca posible del escenario (el núcleo), que en el átomo es donde más barata está la entrada. ¡AH! Y LOS ELECTRONES NO SE QUEDAN DORMIDOS.
Esto que suena a fantasía se ha comprobado en experimentos y muestra que la realidad cuántica es fascinante. Este fenómeno, además de curioso, tiene mil aplicaciones. Por ejemplo para la criptografía en seguridad informática, la computación cuántica y la teleportación. Casi nada.
Ahí tenemos al gato, encerrado en la caja esperando su suerte. El malvado de Schrödinger coloca un átomo radiactivo en el interior y, al lado, un contador Geiger. Este aparato es un cacharro que sirve para detectar radiación y contar partículas. Si el átomo que ha puesto Schrödinger se desintegra, lanza una partícula alfa (como vimos, un núcleo de helio o dos protones con dos neutrones). Al hacer esto el contador Geiger la detecta, se activa y pone en marcha un mecanismo que deja escapar un veneno que mata al gato.
Ahora bien, el átomo radiactivo es un sistema cuántico y por lo tanto si no se observa (por eso de cerrar la caja) estará en superposición de estados: desintegrado y sin desintegrar. El contador Geiger habrá detectado esta partícula alfa y no la habrá detectado, el veneno se habrá y no se habrá escapado... y el gato estará vivo y estará muerto a la vez. ¿Hemos dicho que el gato está vivo y muerto a la vez? ¡Qué locura es esta! Pues es la conclusión a la que quería llegar Schrödinger cuando pensó esta cosa del gato y la caja: la mecánica cuántica no tiene sentido.
Me explico: sabemos que un átomo o sistema cuántico puede estar en un estado de superposición (en varios estados a la vez) hasta que se observa. Hasta aquí todos los físicos están de acuerdo pero… ¿qué ocurre cuando uno «mira» la realidad? Aquí es donde surgen los grandes conflictos. La interpretación de Copenhague determina que un sistema cuántico, al ser observado o medido, colapsa en uno solo de sus estados. Así que al abrir la caja el átomo colapsa o, lo que es lo mismo, «elige» uno de los dos estados (desintegrado o sin desintegrar), lo cual tiene consecuencias sobre el contador Geiger,
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Un estado de superposición cuántica no se rompe con la medida en lo que se conoce como colapso, sino que en su lugar genera tantas realidades como posibilidades hay en la medida.
La teoría cuántica nos muestra un mundo caótico, frenético, aleatorio, de cambios constantes y de realidad incierta. Un mundo impredecible y que parece absurdo. Complejo y cambiante. Un mundo disparatado y difícil de integrar con la otra gran teoría del universo: la relatividad.
Esto quiere decir que no existe un reloj universal que marque el tiempo para todo el mundo. No. El tiempo fluye de forma diferente en función de quién lo mida. En este ejemplo el tiempo medido por alguien corriendo con el rayo y otra persona a pie de campo van a ser diferentes.
El tiempo fluye de forma diferente dependiendo de quién lo mida. Atención: lo que importa es el movimiento.
Las ecuaciones de Newton responden a lo que se conoce como «sentido común»: las leyes describen lo que esperamos que pase. Sin embargo, este sentido común solo responde a las cosas que estamos acostumbrados a ver. Como el universo es muy grande y rico, nuestro sentido común es incapaz de prever lo que puede ocurrir en situaciones extremas.
No, hombre, no: lo que ocurre, de nuevo, es que como la velocidad de la luz es muy grande, solo puedes apreciar este efecto cuando te mueves a velocidades extraordinariamente elevadas. Mientras tanto, si te sientes muy pesado cuando te mueves, no es la relatividad: es que estás gordito/a.
Por eso cuando miramos el cielo muchas veces vemos «fantasmas», cuerpos muertos, estrellas que ya desparecieron, sistemas que colapsaron, que ya no están ahí y, sin embargo, los seguimos viendo.
Muchas veces me preguntan por los viajes en el tiempo. Yo respondo que miren al cielo. Es la forma más fácil y barata de viajar en el tiempo. Y en primera clase.
La relatividad de Einstein es una teoría demostrada y consolidada. Es fundamental para entender muchísimos procesos.
Einstein ha cambiado la forma en que vemos el espacio, el tiempo y la energía. La teoría cuántica ha desvelado los secretos del mundo microscópico abriendo a nuestros ojos un mundo que parece de fantasía.
La teoría de lo infinitamente pequeño, la cuántica, con la teoría de lo que se mueve a gran velocidad, la relatividad.
Quien consiguió la unión indisoluble de la cuántica y la relatividad en legítimo matrimonio fue Dirac. Partiendo de la ecuación de Schrödinger (el del gato) logró aplicarle la relatividad para obtener la primera ecuación cuántica y relativista a la vez.
primera sorpresa es que en ella aparecía, sin haberlo esperado, una característica muy especial de las partículas: el espín. Es una propiedad cuántica de las partículas asociada al magnetismo y sobre la cual no es necesario extenderse. Lo sorprendente y agradable es que ahí estaba el espín, como una parte de la ecuación que surgía por sí misma. La segunda sorpresa, sobre la que hablaremos en otra parte del libro, es que la ecuación de Dirac daba lugar a un nuevo tipo de partículas: las antipartículas.
El principio de incertidumbre del que antes hablamos tiene un efecto muy particular: dos magnitudes conjugadas (como la posición o el momento) no se pueden conocer con exactitud de forma simultánea.
El Modelo Estándar es la suma de dos grandes esfuerzos por conocer la naturaleza: las partículas y sus interacciones. Las partículas forman la materia, como los ladrillos de todo lo que nos rodea. Las interacciones serían el cemento que hace que se mantengan unidas, aunque también hacen lo contrario, que se separen.
La teoría cuántica de campos une la relatividad con la cuántica y es capaz de predecir el comportamiento de cualquier partícula o fenómeno físico.
Se cierra así el trabajo iniciado por Newton y mejorado por Einstein. El descubrimiento del bosón de Higgs después de más de cuarenta años de búsqueda es un grandísimo paso en la comprensión de la naturaleza. Ha afianzado al Modelo Estándar como la mejor teoría disponible hasta el momento para describir el comportamiento cuántico de nuestro universo.
